Composito metallico leggero e ad alta resistenza ispirato al cemento armato: il lavoro dell’Università di Toronto
Che cosa hanno fatto gli ingegneri di Toronto
Il 31 ottobre 2025, un team della Faculty of Applied Science & Engineering dell’Università di Toronto ha presentato un composito a matrice metallica (MMC) che coniuga bassa densità e resistenza elevata anche ad alte temperature. La microstruttura si ispira al cemento armato: un reticolo metallico “tipo armatura” funge da rinforzo all’interno di una matrice in lega leggera, un’architettura resa possibile da tecniche avanzate di stampa 3D dei metalli.
Architettura “rebar-like” e come si fabbrica
Il materiale integra una maglia di puntoni in lega di titanio (il “tondino” strutturale) realizzata con Selective Laser Melting, successivamente “riempita” con una matrice Al-Si-Mg. Le dimensioni caratteristiche del reticolo arrivano fino a ~0,2 mm di diametro dei puntoni; nella matrice, particelle microscopiche di allumina e silicio forniscono ulteriore rinforzo, in analogia agli aggregati nel calcestruzzo. Questa combinazione – reticolo portante + matrice leggera con precipitazioni – è stata ottimizzata per mantenere robustezza strutturale in un ampio intervallo di temperatura.
Prestazioni meccaniche misurate (RT → 500 °C)
Nei test, il composito ha mostrato un carico di snervamento fino a ~700 MPa a temperatura ambiente (contro ~100–150 MPa tipici di matrici di alluminio tradizionali) e ~300–400 MPa a 500 °C (contro ~5 MPa per alluminio convenzionale). In termini di rapporto resistenza-peso, “si comporta come un acciaio di media gamma ma con circa un terzo della densità”, con un meccanismo di deformazione ad alta temperatura attribuito a fenomeni di “enhanced twinning” che aiutano a conservare la resistenza.
Perché è rilevante per la manifattura additiva
Le leghe di alluminio sono ricercate per il light-weighting, ma tendono a perdere prestazioni sopra i 200–300 °C. L’architettura rebar-like e la presenza di rinforzi/precipitati termotolleranti riducono la degradazione a caldo tipica degli AMCs stampati in 3D, collocando questo materiale tra le soluzioni più promettenti per componenti soggetti a carichi e temperature elevate. Il quadro è coerente con la letteratura su AMCs Al-based realizzati via SLM, che evidenzia come design microstrutturale e gestione delle precipitazioni siano chiave per stabilità e resistenza.
Applicazioni possibili e orizzonte d’impiego
Aerospace, energia e trasporti sono gli ambiti più immediati: là dove oggi l’acciaio garantisce margini di sicurezza ma penalizza il peso, un MMC con reticolo in titanio e matrice Al-Si-Mg può offrire la stessa robustezza con masse inferiori e miglior resistenza a caldo. Gli autori sottolineano che la diffusione industriale dipenderà da costi e scalabilità, ma che la manifattura additiva è l’unico modo praticabile per costruire questa architettura multi-materiale.
Il lavoro nel contesto delle leghe leggere per AM
Il risultato di Toronto si inserisce in una traiettoria più ampia: da un lato, MIT e partner hanno identificato nuove famiglie di leghe di alluminio stampabili progettate per bilanciare resistenza e costo; dall’altro, Oak Ridge National Laboratory sta testando DuAlumin-3D per componenti automobilistici ad alta temperatura, mirando a ridurre cracking e migliorare l’efficienza in LPBF. Questi filoni, insieme, mostrano come design computazionale, scelta degli elementi (Er, Zr, Ni, Y, ecc.) e architetture di rinforzo stiano convergendo verso leghe/compositi leggeri a prestazioni elevate.
Squadra, laboratorio e pubblicazione
Il progetto è guidato dal Prof. Yu Zou (Department of Materials Science & Engineering, U of T), con Chenwei Shao (autore principale) e Huicong Chen (co-autore e responsabile delle simulazioni). Il gruppo LEMAM di Zou è specializzato in meccanica estrema e stampa 3D dei metalli. I risultati sono pubblicati su Nature Communications.
